В последние годы все большее распространение получает электронно-лучевая плавка тугоплавких редких металлов высокой чистоты. При соударении пучка электронов с поверхностью металла кинетическая энергия электронов переходит в тепловую, в результате чего металл нагревается и расплавляется.
Электронно-лучевая плавка имеет важные преимущества перед другими методами плавки. В электронно-лучевых печах слитки можно получать из порошков или скрапа, что исключает трудоемкие операции по изготовлению электродов, а также дает возможность перерабатывать отходы. Электронно-лучевую плавку проводят в глубоком вакууме (10-4-10-6 мм рт. ст.) при нагреве ванны жидкого металла на несколько сот градусов выше температуры плавления, что позволяет осуществлять глубокое рафинирование металла. При плавке происходит дополнительная очистка от кислорода, азота, а также от некоторых металлических примесей: Sn, Fe, Pb, которые имеют более высокое давление пара по сравнению с основным металлом.
В результате электронно-лучевой плавки получают слитки с. грубозернистой структурой, что в некоторых случаях ухудшает механические свойства металла. Но, например, свойства ниобия и тантала мало чувствительны к размеру зерна, а их пластичность после электронно-лучевой плавки резко возрастает вследствие глубокой очистки от примесей внедрения и металлических примесей.
Схематическое устройство печи с двумя пушками для электронно-лучевой плавки гафния показано на рис. 90. Черновой металл вводят в верхнюю пушку, где он расплавляется. Расплавленный металл капает в водоохлаждаемую изложницу, где нижняя пушка поддерживает его в расплавленном состоянии. Когда слиток готов, он опускается в изложнице с помощью специального приспособления.
Методом электронно-лучевой плавки нельзя получать сплавы с легколетучими компонентами.
Рис. 90. Схема электронно-лучевой печи (Металлургия гафния. Под ред. Д. Томаса и Е. Хейса, 1967, рис. 21): 1 - шлюз для ввода чернового металла; 2 - подвод высокого напряжения; 3 - шлюз для электронных пушек; 4 - водоохлаждаемая изложница; 5 -механизм для вытягивания слитка; 6 - переплавленный слиток; 7 - камера для охлаждения слитка; 8 - диффузионный насос; 9 - шибер; 10 - электронная пушка; 11 - черновой слиток; 12 - плавильная камера.
Основным недостатком как электронно-лучевой, так и вакуумной плавки является трудность получения однородных слитков. Поэтому для обеспечения однородности иногда применяют вторичную переплавку.
ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВКА
Металл, получаемый дуговой плавкой, используют для проката. Для небольших отливок, фасонного литья и для переработки отходов редких металлов применяют методы плавки в тигле.
Индукционная высокочастотная плавка имеет преимущества перед дуговой плавкой. Одним из главных достоинств индукционной плавки является интенсивное перемешивание объема расплавленного металла, что дает возможность получать однородные по составу и структуре слитки за один переплав. При индукционной плавке в тигле можно использовать куски металлических отходов; отпадает необходимость в приготовления электродов. Но в этом случае наиболее остро встает проблема материала тигля, поскольку расплавленный металл способен активно взаимодействовать с огнеупором. Материалом тигля обычно служит окись бериллия или тория. Но частичное загрязнение металла кислородом все же происходит.
Для плавки циркония тигли изготовляют из окиси бериллия, так как примесь бериллия в ядерном цирконии относительно безвредна. Широкое распространение получили также тигли из специального плотного графита. Расплавленный металл обладает очень низким поверхностным натяжением и хорошо смачивает графитовый тигель. Кроме первой плавки все последующие происходят в тигле, покрытом слоем металла. Но загрязнение углеродом все же может достигать 0,6%. Поэтому полученный металл не обладает достаточной для проката пластичностью.
Плавку ведут в. атмосфере инертного газа (аргон чистотой не менее 99,8%) или в вакууме.
В тиглях из окиси бериллия в днище имеется пробка, которая вынимается с помощью стопорного стержня. И стержень, и пробка также сделаны из окиси бериллия. В случае графитовых тиглей пробку делают из того же металла, который подвергается переплавке. Для расплавления пробки в печи имеется специальный малый редуктор. Расплавленный металл выливается в графитовую или медную водоохлаждаемую изложницу. Графитовая изложница в отличие от медной водоохлаждаемой нуждается в предварительной дегазации, так как изложница в процессе плавки не должна выделять газов.
Схема высокочастотной индукционной печи с графитовым плавильным тиглем показана на рис. 91. Тигли и изложницы из плотного графита выдерживают 10-20 отливок.
Чтобы уменьшить турбулентность в струе выливаемого металла, используют так называемую поворотную печь. В этой печи тигель и изложницы расположены в вакуумной камере под углом, и при повороте камеры расплавленный металл выливается в изложницу через край (рис. 92).
Рис. 91. Индукционная печь с графитовым тиглем для плавки гитана (Милицын К. И.. Ловчиков В. С., Суворов А. М., 1956, рис. 59): 1 - смотровое окно; 2 - графитовая труба; 3 - графитовый тигель; 4 - засыпка из сажи; 5 - кварцевая труба; 6 и 7 - индукционный контур на 20 и 6 квт соответственно; 8 - графитовая или медная изложница; 9 - механическое устройство для подъема и опускания изложницы.
Рис. 92. Устройство вакуумных индукционных высокочастотных печей (Пазухин В.А., Фишер А. Я., 1956, рис. 183): а - с индуктором внутри печи; б - с внешним индуктором. 1 - индуктор; 2 - кожух; 2а - керамический стакан со сферическим дном; 3 - плавильный тигель; 4 - керамическая труба; 4а - керамический экран; 5 - крышка; 6 и 7 - вводы индуктора; 8 - съемная крышка; 9 - смотровое окно; 10 - изложница; 11 - выступ кожуха; 12 - полая ось; 13 - желоб; 14 - патрубок.
Чтобы уменьшить турбулентность в струе выливаемого металла, используют так называемую поворотную печь. В этой печи тигель и изложницы расположены в вакуумной камере под углом, и при повороте камеры расплавленный металл выливается в изложницу через край (рис. 92).
Однако при выпуске металла через дно плавильного тигля слиток получается чище, потому что неплавкие частицы, всплывающие на поверхность, не попадают в изложницу или же выходят из тигля последними.